示波器基本原理及应用幻灯片.ppt

示波器基本原理及应用第1页，共55页，编辑于2022年，星期一Agenda 一、示波器的種類一、示波器的種類 二、數位示波器的基本原理二、數位示波器的基本原理 三、探棒的原理及種類三、探棒的原理及種類第2页，共55页，编辑于2022年，星期一訊號種類第3页，共55页，编辑于2022年，星期一1.類比示波器(Analog Real Time)優點優點:即時顯示即時顯示,波形真實波形真實,構造簡單。構造簡單。缺點缺點:無儲存功能無儲存功能,無自動參數量測功能無自動參數量測功能,僅僅 有邊緣觸發及簡單的視訊觸發功有邊緣觸發及簡單的視訊觸發功能能,無法與電腦連線做自動量測。無法與電腦連線做自動量測。第4页，共55页，编辑于2022年，星期一2.數位示波器(Digital Storage Oscilloscope)優點優點:擴充功能多擴充功能多,多種儲存方式多種儲存方式,波形波形,設定設定,自動參數量測功能自動參數量測功能,具進階觸發能力具進階觸發能力,可與電可與電腦連線做自動量測。腦連線做自動量測。缺點缺點:不是即時顯示。不是即時顯示。第5页，共55页，编辑于2022年，星期一二、數位示波器的基本原理二、數位示波器的基本原理1.1.頻寬頻寬頻寬頻寬(Bandwidth)(Bandwidth)2.2.線性範圍線性範圍線性範圍線性範圍(Linear range)(Linear range)與過載恢復與過載恢復與過載恢復與過載恢復(Overdrive Recovery)(Overdrive Recovery)3.3.取樣率取樣率取樣率取樣率(Sampling rate)(Sampling rate)4.4.波道數波道數波道數波道數(Channel)(Channel)及波道補償及波道補償及波道補償及波道補償(Channel Deskew)(Channel Deskew)5.5.取樣率取樣率取樣率取樣率v.s.v.s.時基時基時基時基(Time Base)v.s.(Time Base)v.s.記憶長度記憶長度記憶長度記憶長度6.6.顯示模式顯示模式顯示模式顯示模式(Display Mode)(Display Mode)7.DPO7.DPO顯示顯示顯示顯示(DPO Display)(DPO Display)8.8.觸發觸發觸發觸發(Trigger)(Trigger)第6页，共55页，编辑于2022年，星期一1.頻寬頻寬(Bandwidth)頻寬的定義 示波器頻寬示波器頻寬v.s.正弦波振幅正弦波振幅 訊號頻寬與上升時間訊號頻寬與上升時間 系統頻寬系統頻寬 示波器頻寬示波器頻寬v.s.上升時間的準確度上升時間的準確度 Question第7页，共55页，编辑于2022年，星期一頻寬的定義 示波器頻寬定義 -示波器的輸入端加入一固定電壓的正弦波信號,逐漸增加該正弦波的頻率,直到示波器上顯示該正弦波電壓為原來的0.707倍或-3db,此時的頻率,即為示波器的規格頻寬第8页，共55页，编辑于2022年，星期一示波器頻寬示波器頻寬v.s.正弦波振幅正弦波振幅第9页，共55页，编辑于2022年，星期一訊號頻寬與上升時間訊號頻寬與上升時間非正弦波訊號的頻寬,可以其上升時間來決定,若此訊號通過一低通濾波器(一階),則其頻寬(BW)為0.35/上升時間(tr),也就是說BW x tr=0.35。第10页，共55页，编辑于2022年，星期一系統頻寬系統頻寬頻寬和上升時間成倒數關係其公式如下頻寬和上升時間成倒數關係其公式如下:其中示波器頻寬其中示波器頻寬影響轉態時間的測量值影響轉態時間的測量值 低通濾波器低通濾波器(一階一階)效應 量測值是系統的合成結果示波器的量測中示波器的量測中,探棒是必備的探棒是必備的,所以探棒頻寬亦會影響量所以探棒頻寬亦會影響量測結果測結果.頻寬x上升時間=0.35示波器頻寬需大於輸入訊號頻寬第11页，共55页，编辑于2022年，星期一示波器頻寬示波器頻寬v.s.上升時間的準確度上升時間的準確度量測信號上升時間時量測信號上升時間時,示波器頻寬將影響量測結果示波器頻寬將影響量測結果第12页，共55页，编辑于2022年，星期一Question假設使用假設使用假設使用假設使用350MHz350MHz頻寬的示波器頻寬的示波器頻寬的示波器頻寬的示波器,量測在量測在量測在量測在1ns1ns上升時間的方波訊號上升時間的方波訊號上升時間的方波訊號上升時間的方波訊號,量測值為多少量測值為多少量測值為多少量測值為多少?(0.35/350M)?(0.35/350M)需要多少頻寬以上的示波器需要多少頻寬以上的示波器需要多少頻寬以上的示波器需要多少頻寬以上的示波器,才能量測到真正的量測值才能量測到真正的量測值才能量測到真正的量測值才能量測到真正的量測值?使用使用使用使用1GHz,1GHz,頻寬示波器頻寬示波器頻寬示波器頻寬示波器(0.35/1G)(0.35/1G)(示波器頻寬等於輸入信號頻寬示波器頻寬等於輸入信號頻寬示波器頻寬等於輸入信號頻寬示波器頻寬等於輸入信號頻寬,量測值如下量測值如下量測值如下量測值如下)(示波器頻寬大於輸入信號頻寬示波器頻寬大於輸入信號頻寬示波器頻寬大於輸入信號頻寬示波器頻寬大於輸入信號頻寬3 3倍倍倍倍,量測值如下量測值如下量測值如下量測值如下)第13页，共55页，编辑于2022年，星期一2.線性範圍線性範圍(Linear range)與過載恢復與過載恢復(Overdrive Recovery)線性範圍線性範圍(Linear)過載恢復過載恢復(Overdrive Recovery)量測實例一量測實例一量測實例二量測實例二第14页，共55页，编辑于2022年，星期一線性範圍線性範圍(Linear)示波器的線性範圍有兩種定義:系統線性範圍：有時定義為輸入靈敏度系統線性範圍：有時定義為輸入靈敏度,譬如範圍從譬如範圍從1mV/1mV/每格到每格到10V/10V/每格每格,在這範圍內在這範圍內,其測量精確度固定其測量精確度固定,如如1%1%顯示線性範圍：是指在一個螢幕顯示範圍內顯示線性範圍：是指在一個螢幕顯示範圍內 的線性度的線性度,也就是從也就是從螢幕的最下方到最上方內螢幕的最下方到最上方內,所有測量值都需要有同一精確度所有測量值都需要有同一精確度第15页，共55页，编辑于2022年，星期一過載恢復過載恢復(Overdrive Recovery)過激(Overshoot)及下激(Undershoot)不可縮放功能來觀察,其因解析度不夠造成量測誤差螢幕外的訊號造成示波器顯示線性範圍的過載第16页，共55页，编辑于2022年，星期一量測實例一第17页，共55页，编辑于2022年，星期一量測實例二第18页，共55页，编辑于2022年，星期一3.取樣率取樣率(Sampling Rate)取樣率的理論取樣率的理論取樣方式取樣方式即時取樣即時取樣等時取樣等時取樣 取樣率不足取樣率不足 頻寬與取樣率頻寬與取樣率第19页，共55页，编辑于2022年，星期一取樣率的理論取樣率的理論頻率為 f 的正弦波 g(t),若以2f 的取樣率,則其傅立葉轉換式為利用sinc內插函數,以2f 的取樣率,就可將頻率為 f 的正弦波g(t)還原,此2f(取樣率為訊號頻寬的兩倍)稱為 Nyquist取樣率 第20页，共55页，编辑于2022年，星期一(4)取樣率的理論取樣率的理論實際線路需大於2f 取樣率(譬如2.5f),方能還原頻率為 f 的正弦波假象訊號(Aliasing)真實訊號第21页，共55页，编辑于2022年，星期一取樣方式取樣方式即時取樣即時取樣(Real Time)等時取樣等時取樣(Equivalent Time)順序順序(Sequential)隨機隨機(Random)取樣方式取樣方式第22页，共55页，编辑于2022年，星期一即時取樣即時取樣信號輸入示波器,觸發後,一次取樣完成所要的資料第23页，共55页，编辑于2022年，星期一等時取樣等時取樣利用重覆取樣技術,經過許多觸發擷取循環,來重組一週期性高頻波形第24页，共55页，编辑于2022年，星期一順序取樣技術順序取樣技術T1T4T3T2S2S3T1SNS1S1不具前置觸發能力不具前置觸發能力第25页，共55页，编辑于2022年，星期一隨機取樣技術隨機取樣技術可具有前可具有前/後置觸發能力後置觸發能力S(T1)S(TN)第26页，共55页，编辑于2022年，星期一取樣率不足取樣率不足取樣率不足使量測上升時間產生誤差第27页，共55页，编辑于2022年，星期一頻寬與取樣率頻寬與取樣率針對突波(glitch)這種非常高頻訊號第28页，共55页，编辑于2022年，星期一5.波道數與波道補償波道數與波道補償波道補償波道補償波道數與取樣率波道數與取樣率第29页，共55页，编辑于2022年，星期一波道補償波道補償波道數波道數:即示波器所能接收外界訊號之通道數目。即示波器所能接收外界訊號之通道數目。一般示波器輸入波道數有一般示波器輸入波道數有:4Channel/2Channel/2Channel+2Channel(AUX Trigger)4Channel/2Channel/2Channel+2Channel(AUX Trigger)波道補償波道補償:為消除外部的為消除外部的時序誤差時序誤差,(,(電纜延遲電纜延遲,不匹配探棒等等不匹配探棒等等)-增加時序量測的準確度增加時序量測的準確度-需要電壓電流相位參數的電力測量需要電壓電流相位參數的電力測量*第30页，共55页，编辑于2022年，星期一波道數與取樣率波道數與取樣率一般示波器使用越多波道數,則其取樣率會下降。例如:TDS5104B最大即時取樣率為5GS/sn n1 Channel:5GS/sn n2 Channel:2.5GS/sn n34 Channel:1.25GS/s第31页，共55页，编辑于2022年，星期一取樣率取樣率v.s.時基時基v.s記錄長度記錄長度(1)取樣率取樣率,時基與記錄長度標示在螢幕的位址時基與記錄長度標示在螢幕的位址(2)水平解析度第32页，共55页，编辑于2022年，星期一(1)取樣率取樣率,時基與記錄長度標示在螢幕的位址時基與記錄長度標示在螢幕的位址一般示波器在改變時基後,取樣率會自動隨著變化(因為記憶長度固定),無法單獨設定取樣率的快慢第33页，共55页，编辑于2022年，星期一(2)水平解析度n n兩各取樣點間的時間(取樣區間)示最小的水平解析度。(PS:取樣區間=1/取樣率)n 固定的紀錄時間內要想改進水平解析度有想兩方法:1.更高的取樣率(或速度)2.更長的記憶長度(或記憶體)第34页，共55页，编辑于2022年，星期一顯示模式顯示模式壓縮模式 將所有記錄在記憶體內將所有記錄在記憶體內的資料壓縮在螢幕上的資料壓縮在螢幕上 一個螢幕可顯示一個螢幕可顯示500500點點,故壓縮比率由記憶長度故壓縮比率由記憶長度自動決定可以自動決定可以ZOOMZOOM的方式的方式來仔細觀察特定部位波形來仔細觀察特定部位波形.非壓縮模式顯示擷取內顯示擷取內500500點的資料在螢幕上點的資料在螢幕上位置可任意選擇位置可任意選擇第35页，共55页，编辑于2022年，星期一DPO顯示顯示DPO(Digital Phosphor Oscilloscope)數位螢光示波器利用快速的螢幕更新率及3D資料庫累積波形,使擷取到的異常訊號在第一瞬間無所遁形。具有接近即時顯示、儲存分析信號的3D資料庫,包括時間,電壓,能量分布。第36页，共55页，编辑于2022年，星期一(2)持續顯示持續顯示&紀錄長度紀錄長度眼狀圖顯示及統計分析詳細分析異常訊號出現詳細分析異常訊號出現第37页，共55页，编辑于2022年，星期一n n觸發的重要觸發的重要n n邊緣邊緣(Edge)(Edge)n n脈波脈波(Pulse)(Pulse)脈波寬脈波寬(width),(width),突波突波(glitch)(glitch)矮波矮波(runt),(runt),轉態轉態(Transition),(Transition),超時超時(timeout)(timeout)n n邏輯邏輯(Logic)(AND,OR,NAND,NOR)(Logic)(AND,OR,NAND,NOR)設定設定/保持保持(setup/hold),(setup/hold),圖樣圖樣(Pattern)(Pattern)狀態狀態(srate)(srate)觸發的形式第38页，共55页，编辑于2022年，星期一觸發的重要觸發的重要第39页，共55页，编辑于2022年，星期一脈波寬觸發脈波寬觸發擷取特定脈波寬波型時使用擷取特定脈波寬波型時使用可選擇正或負脈波觸發可選擇正或負脈波觸發先定義兩個脈波寬先定義兩個脈波寬,T1,T2,T1,T2脈波寬度為脈波寬度為T,T,當當T1TT2T1TT2時觸發時觸發內部觸發內部觸發 當當TT1TT2TT2時觸發時觸發外部觸發外部觸發第40页，共55页，编辑于2022年，星期一突波觸發突波觸發擷取特定脈波突然變窄時使用擷取特定脈波突然變窄時使用脈波寬度為脈波寬度為T,TT1T,TT1時觸發時觸發可選擇正或負脈波觸發可選擇正或負脈波觸發第41页，共55页，编辑于2022年，星期一矮波觸發擷取特定脈波突然變小時使用擷取特定脈波突然變小時使用先定義兩個振幅臨界先定義兩個振幅臨界,電壓電壓A1,A2,A1A2A1,A2,A1A2波型振幅波型振幅A A 當當A1AA2A1AA2第42页，共55页，编辑于2022年，星期一轉態觸發轉態觸發擷取快速上升擷取快速上升(下降下降)或緩慢上升或緩慢上升(下降下降)的脈波訊號時使用。的脈波訊號時使用。先定義一個脈波高臨界值先定義一個脈波高臨界值A1,A1,及低臨界值及低臨界值A2,A1A2A2,A1A2時間差為時間差為T,A1A2T,A1A2上升上升或下降時間或下降時間,小於或大於小於或大於T T時觸發時觸發可選擇正或負脈波觸發可選擇正或負脈波觸發第43页，共55页，编辑于2022年，星期一圖樣觸發圖樣觸發擷取特定的邏輯圖樣訊號時使用擷取特定的邏輯圖樣訊號時使用各波道間邏輯圖樣各波道間邏輯圖樣,定義為真或假的圖樣定義為真或假的圖樣觸發觸發先定義各波段先定義各波段(H,L,X),(H,L,X),及相互的邏輯閘及相互的邏輯閘(AND,OR,NAND,NOR)(AND,OR,NAND,NOR)再分別定義高低準位的臨界值再分別定義高低準位的臨界值,在定義判別高低準位的臨界值在定義判別高低準位的臨界值邏輯圖樣為HHLL及AND閘的觸發點第44页，共55页，编辑于2022年，星期一狀態觸發擷取特定的邏輯圖樣訊號時使用擷取特定的邏輯圖樣訊號時使用一波道一波道4 4訊號的前緣或後緣訊號的前緣或後緣,為觸發點為觸發點先定義各波段先定義各波段(H,L,X),(H,L,X),及相互的邏輯閘及相互的邏輯閘(AND,OR,NAND,NOR)(AND,OR,NAND,NOR)再分別定義高低準位的臨界值再分別定義高低準位的臨界值,在定義判別高低準位的臨界值在定義判別高低準位的臨界值第45页，共55页，编辑于2022年，星期一觸發系統的耦合方式觸發系統的耦合方式耦合方式n n直流(DC)n n交流(AC)n n高頻拒絕(HF Reject)、低頻拒絕(LF Reject)雜訓拒絕(Noise Reject)第46页，共55页，编辑于2022年，星期一三、探棒的原理及種類三、探棒的原理及種類1.探棒的種類2.探棒如何影響量測精確度3.理想電壓探棒4.探棒接地線的電感效應5.電壓探棒的典型規格6.電流探棒的特性7結論第47页，共55页，编辑于2022年，星期一1.探棒的種類第48页，共55页，编辑于2022年，星期一2.探棒如何影響量測精確度要得到適當的測量結果，測量附件必須跟儀錶及待測物要得到適當的測量結果，測量附件必須跟儀錶及待測物(DUT)(DUT)密密切配合。須考量的項目包括：切配合。須考量的項目包括：-被量測的訊號形式被量測的訊號形式(電壓電壓,電流電流,邏輯邏輯,其他其他)-訊號頻率內容訊號頻率內容(DC,Hz,KHz,MHz)(DC,Hz,KHz,MHz)-訊號源組抗訊號源組抗(電阻電阻,電容電容,電感電感)-實體連接考量實體連接考量(DUT(DUT及儀錶及儀錶)-儀錶輸入阻抗儀錶輸入阻抗(50 ohm,1 Mohm,(50 ohm,1 Mohm,其他其他)-儀錶頻率或上升時間儀錶頻率或上升時間第49页，共55页，编辑于2022年，星期一理想電壓探棒理想電壓探棒模型-頻寬無限大頻寬無限大-輸入電容為零輸入電容為零-輸入阻抗無限大輸入阻抗無限大-動態範圍無限大動態範圍無限大(Dynamic Range)(Dynamic Range)-1:11:1衰減衰減-無延遲無延遲-無相位偏移無相位偏移(Phase Shift)(Phase Shift)-機械結構適合量測應用機械結構適合量測應用第50页，共55页，编辑于2022年，星期一探棒接地線的電感效應電感效應造成電感效應造成阻抗不匹配阻抗不匹配,頻寬越寬影響越大頻寬越寬影響越大接地線的長短會影響電感效應的大小接地線的長短會影響電感效應的大小,結果會產生脈波訊號的漣波結果會產生脈波訊號的漣波第51页，共55页，编辑于2022年，星期一探棒接地線的電感效應第52页，共55页，编辑于2022年，星期一電壓探棒的典型規格第53页，共55页，编辑于2022年，星期一結論探棒一定有負載探棒一定有負載被動探棒一定要做補償被動探棒一定要做補償系統頻寬包括示波器、探棒及待測訊號精確的測量量側工具的系統頻寬最好是待測訊號的精確的測量量側工具的系統頻寬最好是待測訊號的3 3到到5 5倍倍儘可能使用低輸入電容儘可能使用低輸入電容,及短地線及短地線使用適當的連接方式接觸測試點使用適當的連接方式接觸測試點第54页，共55页，编辑于2022年，星期一第55页，共55页，编辑于2022年，星期一